常溫清水單級單吸臥式離心泵設計（含20張CAD圖紙）

常溫清水單級單吸臥式離心泵設計（含20張CAD圖紙）,常溫,清水,單級單吸,臥式,離心泵,設計,20,CAD,圖紙 外文翻譯 院（部）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起止日期： 原文 譯文 第五章 結構的材料 5.1節(jié) 泵結構的金屬材料(以及他們的損傷機制) 一個成功泵裝置需要的是它的性能和壽命.性能就是泵頭的額定功率,容量和效率.壽命就是在需要更換一個或者多個泵部件以保持一個容許的性能之前總的運行小時數(shù).最初的泵性能是泵制造者的責任,而且蘊含在泵設計當中. 壽命是當泵已經在運行時,結構材料對腐蝕、沖蝕、磨損等影響材料的因素的抗性的主要衡量方式. 需要最大限度地提高泵的可靠性和延長泵的使用壽命，使得選擇合適的結構材料至關重要。 選擇合適的符合成本效益和技術上的應用的材料需要的知識不僅有泵的設計和制造工藝，而且包括材料的工程性質，特別是當它遭遇泵中環(huán)境時其耐腐蝕和耐磨損特性。在腐蝕和冶金文獻中以及從泵制造商的經驗里有足夠的信息，使我們能夠為幾乎所有的泵應用選擇適當?shù)牟牧稀? 眾所周知,有很多因素能夠影響泵的壽命.這些因素包括: ? 在接近環(huán)境溫度下的中性液體 ? 在艱難的服務環(huán)境中選擇合適的泵材料. ?研磨粒子的缺乏 ?泵在或者接近最大效率點處持續(xù)運行的能力. ?像制造商的評級曲線規(guī)定的有一個充足的余量的有效汽蝕余量超過必須氣蝕余量。 ?一個低的速度（發(fā)生揚程/轉速）。 符合這些條件的泵裝置將會有一個長的壽命。供水泵就是一個典型的例子。一些用銅葉輪和鑄鐵殼體的供水泵有50年的壽命或者更長。另一個極端就是處理熱腐蝕性并帶有懸浮顆粒的化工泵。這種泵的壽命就應該以月來衡量而不是以年。盡管事實上結構是基于最有抵抗力的材料。 大多數(shù)的泵應用落在這兩個極端之間。泵的設計者需要熟悉各種能夠影響泵部件以及它的使用壽命的降級類型。這些一般可以分為腐蝕，磨損和疲勞類別，腐蝕和磨損是主要的壽命限制機制。 腐蝕的類別 普通的腐蝕 普通的腐蝕在它發(fā)生時沒有明顯的、可感知的定位性。這種類型的腐蝕發(fā)生在沒有在表面產生有效鈍化層的金屬或者合金上。通常，腐蝕機理是伴隨著金屬氧化物腐蝕產物形成的氧化作用。普通腐蝕大多數(shù)時候經常發(fā)生在用碳鋼和銅基合金的泵中。鑄鐵也有專門的普通腐蝕的形式，稱為石墨化腐蝕，將分別考慮。 碳鋼不會產生保護性氧化膜，將會在水或其他液體的幾個特性的一定比例下發(fā)生腐蝕，包括溫度、氧含量、pH值、流體化學?；谒瘜W指標存在一些經驗可以用來計算自然水體對碳鋼以及類似的鐵基合金的相對腐蝕度。Langelier指數(shù)是最有名的。腐蝕率也非常依賴于速度并且隨速度的增加而增加。在大多數(shù)的泵應用中，伴隨著碳氫化合物的值得注意的例外，碳鋼的腐蝕率太高以至于不能夠提供一個有用的壽命。然而，碳鋼被頻繁的應用，特別是在立式泵中，用一些形式的保護涂層來避免腐蝕。煤焦油環(huán)氧樹脂是許多水運行環(huán)境下的首選涂層。 銅合金，包括黃銅和青銅，也在他們最常用在泵工業(yè)的水應用中遭受著腐蝕。在水中少量硫化物的存在會增加腐蝕速率。銅合金在大多數(shù)應用中逐漸形成一種保護性的氧化銅腐蝕膜。隨著這個薄膜的發(fā)展，腐蝕速率隨時間逐漸減小。普通腐蝕得比率率隨銅合金的比或等級的不同而不同。在泵常用的合金中，鎳鋁青銅在高速下?lián)碛凶畹偷母g率和最好的耐性。 在圖1中展示了一個立式泵中耐蝕高鎳鑄鐵殼體的普通腐蝕。金相截面被移除來顯示腐蝕攻擊的深度。來自一個立式泵下殼體的耐蝕高鎳鑄鐵的一個小片段。微觀結構也在右邊的圖中展示出來，圖解闡明腐蝕滲入的深度。這是普通腐蝕的一個典型的例子（右邊的圖片放大了100倍）。 脫合金成分腐蝕 脫合金成分腐蝕會優(yōu)先腐蝕掉多項合金中的一項，或者金屬中的一種元素。在泵工業(yè)中，脫合金成分腐蝕的發(fā)生有很多形式。其中最常見的是灰鑄鐵的石墨化腐蝕。這種材料價格低，易于加工，而且很好的符合了各種應用情況，尤其是在供水系統(tǒng)產業(yè)。它可能 是泵工業(yè)中應用最廣的一種材料。 與碳鋼或球墨鑄鐵相比, 灰鑄鐵腐蝕是通過一個完全不同的機理.灰鑄鐵的結構是在一個主要是鐵的矩陣中由石墨薄片連接而成. 在電解液的存在下,通常是水, 在鐵和石墨之間建立了一個原電池。鐵腐蝕,腐蝕產物很大程度上被介質液體沖刷并與介質液體一同流過泵. 最初的鑄造體會逐漸減少成可能包含一些氧化鐵的腐蝕產物的多孔石墨結構。這通常被稱為石墨化. 一個灰鑄鐵石墨表面遭受腐蝕將保留其原來的形狀和尺寸，但表面大部分將是可以用小刀切割的石墨。鑄造件將失去其機械性能的一部分，并變得越來越容易受到適度的沖擊或沖擊載荷而造成脆性破壞. 這也是在海水中耐蝕高鎳鑄鐵的腐蝕機制。圖2展示了可靠的基底金屬和石墨化前之間的交接面. 意識到石墨的腐蝕率會隨水化學性質變化是非常重要的，而且這種類型的腐蝕可以在淡水和鹽水中發(fā)生。鹽水的高電導性相對應于一個更高的腐蝕率. 石墨化腐蝕將在具有高礦物質含量的水中慢節(jié)奏進行。礦物傾向于堵塞在石墨層的表面上，封閉基底金屬使其不暴露在流體中，從而降低腐蝕速率。 作為一個鑄鐵件表面，如泵殼，逐漸石墨化，與泵內其他部件的電偶關系將會被改變. 已觀測到青銅葉輪在最初就應用于輸送海水的鑄鐵泵中將比青銅葉輪在泵已服務幾年后再安裝提供更長的壽命。更換葉輪后其壽命的減少是通過改變與泵殼的電偶關系而造成的.最初,殼體是鑄鐵,相對于青銅葉輪它是陽極.隨著時間的推移,當殼體石墨化,他將由于石墨化的影響逐漸變成陰極.青銅葉輪現(xiàn)在就成為了陽極并且以一個高的速率腐蝕. 這個例子突顯出石墨腐蝕對泵內其他部件的影響以及小心選擇用于導電流體如鹽水中的材料的重要性。 其他一些類型的脫合金成分腐蝕也會在泵中發(fā)生.含有超過百分之14鋅的黃銅和青銅合金遭受的脫合金成分腐蝕成為脫鋅.鋅被優(yōu)先從材料的基體上腐蝕掉,留下一個海綿體,富銅渣. 脫鋅能夠統(tǒng)一在一個鑄件表面的淺層或作為一個局限在一個小區(qū)域獨立的塞頭上發(fā)生。塞頭處脫鋅是更嚴重的問題，因為塞頭很薄弱,而且如果穿過邊界壓力則會造成泄漏，但應該強調的是，含有少于百分之14鋅的銅合金不容易受到這種形式的腐蝕。因此,在無鋅青銅上的需求通常強加于泵制造商來避免脫鋅,這是沒有技術理由的.圖3展示了一個葉輪的脫合金成分腐蝕. 圖2 石墨化前和可靠的基底金屬之間的交接面.石墨化腐蝕沿著石墨片的路徑發(fā)生和傳播(50). 圖3 一個立式泵葉輪的脫合金成分腐蝕.注意橫截面顏色的變化.未受影響的銅(淺色)材料被脫鋅層包裹著(1.3). 最后的一種偶爾會發(fā)生在泵中的脫合金成分腐蝕是鋁銅合金中脫鋁. 這些都是冶金復合材料。某些組成成分可以形成一個富鋁相并且會在有侵蝕性的液體中優(yōu)先腐蝕,特別是海水. 一種特殊的熱處理可以減輕有害相.這種熱處理被稱為回火退火。這種熱處理必須由設計師指定易感成分，因為它不是國家材料規(guī)格的強制性要求。歐洲的一些鋁青銅合金的化學成分已經調整以去除富鋁相的形成而不需要回火退火熱處理. 回火退火可以作為焊接的鋁青銅結構的一種應力消除操作，這是一個產品在這一類的二次受益。 電化腐蝕 電化腐蝕這種腐蝕是發(fā)生在當一種合金被電偶和到另一種合金上而且暴露在一種導電液體中時.通常,最高貴的合金的腐蝕率將會降低如果它非偶和的暴露. 不是很高貴的合金的腐蝕率將會升高如果它非偶和的暴露. 這兩種金屬的電化腐蝕率受多種因素的影響.這種腐蝕受液體導電性的影響很大.在如清水的液體中,有一個低的導電性, 電化腐蝕將不那么嚴重，一般只限于金屬接觸的即時位置. 然而，在一個高導電性的流體，如海水，電化腐蝕將更嚴重，將發(fā)生在更廣泛的區(qū)域。泵的設計者需要考慮當在一種導電性液體中使用不同的金屬時這種腐蝕發(fā)生的可能性. 在海水中或者其他導電液體中的電化腐蝕問題可以通過謹慎的材料使用而避免.電化腐蝕與偶和金屬的接觸區(qū)域比率相關.它總是在陽極需要一塊區(qū)域,或者低貴金屬,等于或者大于貴金屬. 在這種方式中，不太貴金屬的額外的腐蝕將被傳播在一個相對比較大的區(qū)域，因為被耦合,所以并不會過度. 一種有效的應用這種電流關系的例子就會涉及到有一個耐蝕高鎳鑄鐵殼體和內部部件是奧氏體不銹鋼的離心泵.這種組合經常定義應用于海水工況下.當泵停機并含有積水時, 耐蝕高鎳鑄鐵相對于不銹鋼就是陽極,從而保護它不受局部腐蝕. 耐蝕高鎳鑄鐵的面積明顯比不銹鋼大. 耐蝕高鎳鑄鐵電化腐蝕的增加會覆蓋一個大的區(qū)域,而且可以忽略不計. 在一個電偶中發(fā)生的腐蝕數(shù)量也取決于偶和金屬的自由腐蝕電位.低耐腐蝕金屬,如鋅、鑄鐵和鋼當相對于參考電極測量時通常會有更多的負電位。高耐腐蝕金屬，如不銹鋼，就會有較少的負電位。 常用工程合金在緩慢移動海水中的腐蝕電位見表1。這些合金以它們在流動的海水中展現(xiàn)出來的電位的順序列出。某些合金（固體顏色框表示合金的名稱）在低速或低曝氣的水和在屏蔽的區(qū)域可能會變得活躍，并表現(xiàn)出一個近-0.5伏的潛力。當兩種金屬電耦合時電化腐蝕發(fā)生的程度將取決于兩種金屬的電位差。因為這兩者之間的巨大的電位差，使鋅與不銹鋼耦合的腐蝕率大大增加。一種鎳-鋁青銅耦合到奧氏體不銹鋼將經歷低電流腐蝕，因為這些金屬的電位是彼此接近的。泵設計者需要注意用于導電液體中的不同金屬的腐蝕電位,以比避免預料不到的電化腐蝕問題. 涂料的使用可以決定性的改變在一個泵中的電位關系.如果更為陽極的部件,如帶有涂層的鋼殼體,預計在這些位置會有一個高的腐蝕率,這些位置的涂層最終將會脫落.這將由一個非常不利的面積比造成,一個小面積暴露的碳鋼與一個大面積的一些更高貴的金屬耦合,如不銹鋼或者青銅.由于這個原因,當泵處理具有不同金屬的導電性流體時,應謹慎使用涂料.在這些應用中通常建議不去在陽極部件上放涂層.圖4 統(tǒng)計了連接在不銹鋼罩上的碳鋼法蘭內徑的電化腐蝕.加速腐蝕是由在這個部件的不銹鋼相對于碳鋼的不利比例造成的. 應力腐蝕開裂 應力腐蝕開裂（SCC）是一個特別危險的腐蝕形式是因為它不易被察覺之前就已經發(fā)展到這樣的程度，它可以導致突然的災難性的破壞。雖然在泵中比較少見，但它可以在幾類材料中發(fā)生。泵的設計者應該意識到可以引起SCC的材料和環(huán)境可能的組合。 應力腐蝕要求幾個因素的存在。這些包括拉伸應力，它可以是殘余的或應用的，敏感材料，可導致應力腐蝕的環(huán)境和時間。 應用在水泵行業(yè)可能經歷SCC的材料包括奧氏體和馬氏體不銹鋼，一些銅基合金，偶爾會有耐蝕高鎳鑄鐵。奧氏體不銹鋼在水氯化物中溫度超過140°F（60°C）時易于發(fā)生應力腐蝕。鑄造合金,在纖維組織中包含一些鐵素體,相對于鍛造件來說明顯的更耐應力腐蝕.開裂的可能性會在氯化物通過蒸發(fā)而濃縮的情況下增加. 高殘余應力，往往存在于焊接結構，也提高了開裂的可能性. 奧氏體不銹鋼中鎳含量的增加提高了其抵抗SCC的性能。高鎳品位，一般稱為20合金，通常在需要最佳抗應力腐蝕的化學應用中使用是必要的。奧氏體不銹鋼在泵體中的SCC較少見. 馬氏體不銹鋼容易在硫化氫存在下開裂，通常被稱為硫化物應力腐蝕開裂（SSC）。這些鋼,特別是CA-15和CA-6NM,通常應用在有硫化氫存在下的石油和煉油產業(yè)的泵中. 通過給這些材料一種特殊的熱處理，使其可以降低硬度低于某一臨界值的水平，從而避免腐蝕開裂. 這也與材料的屈服強度有關。通常在文獻中可以看到,應用在這些工況下的含鐵材料應該硬度不大于22 的鋼筋混凝土或者屈服強度不高于90000磅/平方英寸（620MPa）. 技術標準，包括API 610和NACE MR-01-75，在含硫化氫環(huán)境中，可用于指定為馬氏體鋼的相應要求。 圖4 在該泵剖面上的電流腐蝕是明顯的。注意在不銹鋼罩上連接的碳鋼法蘭的內部直徑的高腐蝕速率。 表1 流動海水中的腐蝕電位(8–13 ft/s, 50–80°F/2.4–4.0 m/s, 10–26°C) 伏：飽和甘汞電極作為參考電極 銅合金在氨存在下易發(fā)生SCC，雖然相當大的變化發(fā)生在各種類型的青銅的敏感性中，而且鋁青銅是耐性最強的。受污染的自然水域可能含有氨，因此，這些場合下青銅材質的泵通常不是一個很好的選擇。 高強度錳青銅很容易在自然水域中開裂。這些合金鑄造葉輪已經遭受嚴重的侵蝕。鑄件殘余應力也足以引起開裂。這些合金由于在這些問題中的敏感性而不應該用于泵中。 耐蝕高鎳鑄鐵是一種含15至20%鎳的奧氏體鑄鐵。在大型的海水立式泵中通常應用這種材料。經驗表明，它是傾向于應力腐蝕，特別是在這些泵的擴散管部分，除非鑄件進行了爐內的應力消除。這必須由買方指定，應為這不是一個國家材料的要求。 氫脆化 氫損傷是一種環(huán)境輔助失效的形式，這是氫和殘余或外加拉伸應力的綜合作用造成的。特定的合金或組成合金的氫損傷表現(xiàn)在許多方面，如開裂、起泡、氫化，或損失的拉伸塑性?？偟膩碚f，這些各種形式的損壞通常被稱為作為氫脆化。 在泵中偶爾遇到氫造成的損壞。一些電鍍工藝，如鍍鉻，通常用于再次加工泵軸，會產生氫氣。這個氫可以進入金屬表面。微觀裂紋能夠發(fā)生在高強度鋼中（屈服強度大于90000磅/平方英寸或620 MPa）。過渡研磨可以使低強度鋼表面硬化，但會增加導致裂紋的氫的幾率。氫損傷產生的微觀裂紋形成應力集中和通過機械疲勞失效產生災難性故障。這個問題可以在電鍍前通過使用適當?shù)难心スに嚤苊?。高強度鋼在電鍍后應該立即烘烤以去除氫? 在焊接過程中，也可以將氫引入金屬中。為了避免與焊接相關的氫損傷，鐵素體和馬氏體鋼應該用低氫電極焊接。涂層電極應根據(jù)制造商的指示，在使用前進行烘烤，以使其脫落水分，這是焊接氫污染的主要來源。 微生物腐蝕 生物體可以在很多不同的環(huán)境中促進腐蝕。在好氧和厭氧環(huán)境中都有多種生物有機體的生長。微生物活動的腐蝕最常發(fā)生在停滯的水中，當泵停機一個較長的時間后他仍然留在泵中。 在許多水域發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌。它們將會形成粘稠的紅色半球形堆或者附著在鑄鐵或碳鋼上。這被稱為結節(jié)。如果刮下來，在結節(jié)下總會有一個碟形坑?？觾葘粋€濕的，黑色的沉淀。點蝕是由細菌分泌的硫酸的痕跡引起的。這種類型的腐蝕通常不會導致過早失效。 不銹鋼遭受著許多更嚴重類型的微生物的腐蝕。一類金屬離子濃縮/氧化微生物出現(xiàn)在精礦鐵和錳的氯化物，這兩者都是有效的腐蝕劑。這些細菌優(yōu)先在奧氏體不銹鋼焊縫形成附著，并能夠在一個相對短的時間內造成嚴重的點蝕。這個問題出現(xiàn)在服務于鹽水和淡水的各種設備中。只有當焊縫開始泄漏時才發(fā)現(xiàn)這個問題。采用不銹鋼的焊接的泵將會受到這個問題的困擾，如果不對停滯的水放任不管，不管是放了一定時間的淡水還是鹽水。在一定情況下殺菌劑可以用來減輕這個問題。 最后，生物有機體的衰變會產生硫化氫，對銅基合金的保護性氧化膜產生不利的影響。在溫暖的熱帶水域強化生物活性，尤其是停滯條件下，可以影響青銅的腐蝕抗性以及降低會發(fā)生加速腐蝕地方的閾值速度。青銅應該在可預料的微生物活躍的地方以及有長時間停機可能的時候謹慎使用。 晶間腐蝕 這種罕見的腐蝕類型優(yōu)先攻擊的材料在晶界。這是由局部化學差異造成的，如奧氏體不銹鋼的鉻耗盡區(qū)。青銅合金易受這種類型的腐蝕包括鋁黃銅、硅青銅、熟銅、海事金屬。所需要的兩點是：一種致敏材料和腐蝕性介質，如海水。在焊接修復過程中，熱處理過程中可能會出現(xiàn)增敏作用。當循環(huán)荷載時，這種類型的腐蝕往往會導致腐蝕輔助疲勞裂紋 300系列奧氏體不銹鋼的熱處理不當會導致對晶間腐蝕的敏感。當不銹鋼含有超過百分之0.03的碳，并且溫度在800℃和1550°C（425至850°之間）時，會發(fā)生致敏作用。在這些溫度下，鉻的碳化物沿晶界析出，導致在相鄰區(qū)域中的鉻消耗。這些相鄰區(qū)域的耐腐蝕性已經降低。奧氏體不銹鋼含有約16至18%鉻。碳化鉻周圍區(qū)域的鉻含量可以降到低于12%個的范圍內與保持一個鈍化的狀態(tài)。一個大的陰極（顆粒）和一個小的陽極（晶界）建立了一個原電池。在這種不希望的情況下，腐蝕沿陽極晶界發(fā)生。腐蝕損傷程度取決于在敏化溫度范圍內的時間長度。敏化的程度是碳含量的一種功能。碳含量越高，材料在這個范圍內不發(fā)生致敏存在的時間越短。圖5中的溫度隨時間變化的曲線圖，說明了這一點。圖6中展示了一個不正確熱處理的填料箱蓋的晶間腐蝕。 奧氏體不銹鋼也可以在正常焊接過程中致敏。在必要時必須小心，以避免焊接過程中的致敏范圍，隨后如果需要可以進行適當?shù)暮负鬅崽幚怼? 通過一些方法可以避免或改正致敏： ? 將材料加熱到足夠高的溫度，以溶解碳化物，通常為1900至2100°（1040至1150°），隨后通過感光范圍隨后快速冷卻。焊接區(qū)局部熱處理不會使材料脫敏。 ?應用添加鈮或鈦的不銹鋼。這兩個元素將與碳捆綁在一起，從而防止鉻碳化物。 ?將碳含量降低到一個較低的水平（小于03）。碳含量越低，碳化鉻發(fā)生需要的時間越長。 當奧氏體不銹鋼在泵行業(yè)中必須使用時，材料通常應用在可以預料到晶間腐蝕的地方，包括304L，316L，CF 3，和cf-3m。含25%或更多鉻的合金的晶間腐蝕是不用關心的。 汽蝕 汽蝕主要是一個機械的過程，雖然它與腐蝕協(xié)同作用而且通常被認為是其他形式的腐蝕。汽蝕可以被定義為由于蒸汽氣泡的潰裂引起的高壓而造成的表層金屬的脫落. 當流體的局部壓力降為蒸汽壓力時，將會發(fā)生空化現(xiàn)象。在多級泵中，在葉輪入口的低壓區(qū)中形成氣泡，并被流到更高壓力的地區(qū)，在那里他們潰破。許多氣泡可能會產生并在一個區(qū)域破裂，產生許多高動能的微射流。由氣泡潰破釋放的能量以沖擊載荷的形式被消耗在金屬表面上。這種情況是具有破壞性的如果保護氧化層缺失,因為它們被破壞從而將新的金屬暴露在腐蝕液中. 這種循環(huán)加載最終導致微觀疲勞裂紋的形成。這些裂縫的傳播和交叉，導致從表面上金屬的去除和特征的海綿狀或多孔外觀的氣蝕損壞。一個受汽蝕破壞的葉輪的例子展示在圖7中. 圖5 18-8不銹鋼的由斯特勞斯試驗確定的時間溫度敏感曲線。注意一個低碳等級的不銹鋼（0.03%）需要5至10小時的曝光，而一個標準級（0.08%）只需要幾分鐘的曝光時間。 圖6 一種填料箱蓋的表面，由于敏化作用，有晶間腐蝕。顆粒在孔的內部也很明顯 圖7 一個葉輪的汽蝕破壞，通過表面空化區(qū)域的多孔狀顯示出來。 盡管在設計和應用中應該盡各種努力去避免離心泵汽蝕的發(fā)生,但在容量低于最大額定效率容量的泵中實現(xiàn)時這個不總是可行的. 必須承認，在低流量運行時，所要求的曲線通常是不足以抑制所有的空蝕破壞的。規(guī)定的汽蝕余量是需要去產生顯示在流量特性曲線中的揚程、容量和效率。在低流量時，應該考慮會有一定的汽蝕破壞?？梢栽诘土髁繒r抑制空化是不切實際的，因為最佳效率點的需求，它可能發(fā)生多次。因此，空蝕破壞成為選擇葉輪材料時一個頻繁考慮的因素。 產生揚程超過35英尺（10.7m）的開放式混流葉輪在旋轉葉片和靜止的殼體的間隙之間特別容易產生汽蝕。這通常被稱為葉尖侵蝕，是由于葉片和殼體之間間隙的空化渦引起的。提供足夠的汽蝕余量去消除空化也是不切實際的。這種類型的泵的葉輪和殼體的任何評價應包括在葉片尖端侵蝕的可能性中。 知道近幾年泵行業(yè)一同的智慧發(fā)現(xiàn)一種材料的抗腐蝕性與它的硬度有關。近幾年已經有了一個更深的理解，它已經導致一種非標準的具有優(yōu)異抗腐蝕性的不銹鋼的發(fā)展。 在20世紀70年代，當發(fā)現(xiàn)有一定硬度的鈷基合金能夠形成一個很高的抗汽蝕破壞的能力時，抗汽蝕性與硬度之間的關系第一次被精密的計算?？蛊g能力與當遭受汽蝕引發(fā)的一個更大的、更具有抗性的晶相階段時金屬在其表面上變形的能力有關。這項工作擴大到.奧氏體不銹鋼，其化學成分進行調整以促進在空化作用下的應力來誘發(fā)馬氏體的形成。最初的新的合金作為焊接填充金屬修復氣蝕損壞，后來作為泵的葉輪鑄件的材料。這些合金在退火情況下具有比標準的奧氏體等級相對低的硬度，但當其暴露在空化載荷下在表面會轉變成一個更硬的馬氏體。硬表層萌生抗疲勞裂紋。如果這些裂縫暴露于空化氣泡后最終發(fā)展，但傳播到軟韌性基底金屬是困難的?？刮g性奧氏體不銹鋼鑄件與鉻和錳的合金，有與鈷基合金相似的抗蝕性。 大范圍的材料空化腐蝕抗性的大量實驗測試已經為在離心泵部件中應用的所有材料形成了一套數(shù)據(jù)。在實驗室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經驗之間做出一個好的相關性以制定以下泵材料抗空蝕性能特性列表是可能的，表格以抗空化性能降低的順序列出。 ?鎢鉻鈷合金 ?鉻錳奧氏體不銹鋼 ?滲碳12%鉻不銹鋼鑄件 ?鈦合金6Al - 4V ?鑄造鎳鋁青銅 ?鑄造雙相不銹鋼 ?鑄造沉淀硬化不銹鋼 ?球墨鑄鐵耐蝕鎳合金 ?鑄造cf-8m ?鑄造CA6-NM ?鑄造CA-15 ?蒙乃爾合金 ?錳青銅 ?碳鋼（鑄） ?鉛青銅 ?鑄鐵 選擇合適的抗空蝕材料，將使泵設計人員在泵可以操作的條件下，在工況范圍內留有更大的操作余地。它還允許可以在更高的速度運行得更小、更輕的泵的設計。明智地使用的材料能顯著的延長汽蝕破壞造成的停機之間的時間，可以大大降低維護成本。 磨損類型 旋轉設備，包括泵，會遭受與腐蝕無關的機械損傷。當這些組件接觸到另一個組件時，它們之間一個彼此接近的相對運動會產生磨損。如果在高載荷條件下或當異物被包裹在旋轉和固定部件之間，可能會出現(xiàn)災難性的損傷。這些組件材料的加速損失或災難性的去除，可以導致昂貴的維修或更換費用。侵蝕，由于在液體中的固體顆粒的存在，也可以限制泵內部組件的壽命。 磨損機制已被分為20多個單獨的過程。然而，只有幾個機制經常被認定為可以損傷一個泵： ?粘著磨損：材料與材料接觸 ?磨料磨損：與內部元件相互作用的固體 ?侵蝕：固體顆粒撞擊 ?微動：引起氧化損傷的小幅度運動 確定磨損機制有時是困難的，因為磨損或材料的損失，在一個情況下，一個泵內可能會由一個以上的機制所導致。 摩擦和磨損作為一門學科，被稱為摩擦學，在20世紀30年代末開始。這些早期的研究加強了對磨損損傷機理的意識，這種磨損損傷機理是除了腐蝕和材料的疲勞之外對泵壽命有影響的因素。在目前的貿易雜志和文本中，可以找到關于磨損研究的附加信息。 粘著磨損 在一個介質為清水（沒有夾帶固體的液流）的泵的旋轉部件材料損失的一個主要的原因就是粘著磨損。這種材料的損失是由于材料表面接觸產生破壞，材料出現(xiàn)缺口，材料轉移，以及可能的磨損?？紤]一對可能接觸到的材料的兩個重要特點是粘著磨損特性及其磨損閾值。材料的磨損被認為是一個嚴重的粘著磨損的后果。 相對運動的兩個表面的磨損是復雜的。除了粘著磨損模型之外，還提出了一些可供選擇的滑動磨損理論。它們是分層理論，氧化理論，表面分層理論，疲勞模型，和提到的幾個理論的組合。然而，只有粘著磨損理論提供了一個一般的磨損方程來定量的預測磨損，從而提供了一種以它們磨損特點為手段的材料分類方法。 存在很多的粘著磨損試驗，包括環(huán)塊、銷釘和V形塊，4-球，和釘在圓盤上。進行磨損試驗，以篩選潛在用途的材料組合。因此，磨損試驗的目的是模擬，盡可能接近實際的服務條件和參數(shù)。 粘著磨損條件下，材料的磨損試驗得出了幾個概論，以便在那些可能在運行中經歷接觸的情況下保障材料的正確選擇。由EPRI，美國海軍研究和私人行業(yè)的研究導致了一系列的材料，被認為當接觸發(fā)生時它們磨損的兼容性是可以接受的。從這個測試，材料的硬度被確定為成功的運行組合的關鍵參數(shù)。當預計會有粘著磨損發(fā)生的工況下，下面的指導應該被用來選擇材料： 1、如材料在粘著磨損條件下預計不會良好運行（除專為antigalling電阻設 計得材料，如氮60和肖88材料）。 2、組合硬度低于45的鋼筋混凝土需要硬度差別至少為10的鋼筋混凝土。 3、組合硬度高于45的鋼筋混凝土可以有相同的硬度。 在廣泛的經驗測試和現(xiàn)場經驗的基礎上，多年來，在選用泵口環(huán)材料時，已經開發(fā)出了一些經驗豐富的經驗法則。有三個因素用來選擇在干凈液體環(huán)境中的磨損表面的材料： ?流體的腐蝕性 ?允許磨損量 ?磨損應力 腐蝕決定了所使用的材料的類別。這些類一般分為三個分組：非腐蝕性，輕度腐蝕性和腐蝕性。當然，在腐蝕性材料組中選擇一個正確材料時附加約束將需要通過實際經驗來處理。 其他的材料特性，如添加劑，可以顯著影響與粘著磨損和擦傷相關的性能。例如，例如，添加銅鉛合金被認為是軸承合金因其為接觸面之間提供潤滑性能。目前正在評估的替代品，以取代含鉛青銅合金，從而避免使用鉛的健康問題。錫鉍和鎳基合金的加入也同樣如此。 幾種環(huán)境中材料的一般指南如下： 環(huán)境 材料 硬度 無腐蝕、輕度腐蝕 鑄鐵/加鉛青銅的馬氏體不銹鋼（局部或者徹底變硬） 低于45鋼筋混凝土時不重要，高于45鋼筋混凝土時應有10個點的差別，相同硬度是接受的 腐蝕 抗腐蝕，無磨損的奧氏體不銹鋼（氮50/氮60或者 88/氮50） 不適用 嚴重腐蝕 高合金奧氏體不銹鋼和硬面材料，例如鎢鉻鈷合金或者鉻化硼系化合物 不適用 使用這些全行業(yè)公認的規(guī)則將有助于避免通常導致昂貴的維修的災難性的損害。 一些特殊的應用已經為特定的環(huán)境產生了獨特的材料應用。由于這些液體的非潤滑性，這些措施包括使用機械的碳材料的比重應用是可取的。如果特定的重力是0.5或更少，通常的做法是制造固定成分的金屬填充石墨。固定的機械碳組件也可用于液體二氧化碳和其他潛在的干啟動應用，如垂直泵的上部軸承。目前，非金屬耐磨元件，如先進的聚合物和陶瓷，正在研究以解決各種應用中遇到的困擾。通常，這些玻璃填充的聚合物或陶瓷復合材料結合各種添加劑以提高他們的耐磨性。 微動磨損 微動磨損可以被認為是一種特殊情況下的粘著磨損。它發(fā)生在當接觸兩部分的緊貼表面經歷重復、小幅度振動的相對運動時，比如在軸上一個松的葉輪。研究人員已經描述了微動損傷有四個階段： 1、在配套材料上粗糙處的粘著磨損 2、在第一階段中產生的磨粒造成的磨料磨損 3、 磨損顆粒填充粗糙的凹坑。 4、表面和微點蝕的彈性連接產生的冷作工。 在一個泵中，在松配合的葉輪處有小振幅運動的可能性，在松配軸承下，葉輪耐磨環(huán)與葉輪輪轂之間。設計工程師并沒有刻意地創(chuàng)造一種將產生這種類型的運動環(huán)境，但當它發(fā)生，微動損傷可以導致其他問題。 沿著磨損表面形成的微動磨損可以由紅色粉末狀氧化物鑒定。在泵中，紅色的碎片經常被沖走，但明顯損壞的表面會在侵蝕的表面上發(fā)展。這種損壞經常被描述為具有斑駁的外觀，最好是被描繪成一個平面，被腐蝕的表面對損傷是沒有方向性的。雖然氧化物可以從表面清洗，一些染色的相鄰組件可以在拆卸泵后觀察。這導致了誤解，微動磨損是一個腐蝕機理，但它實際上是一種特殊的磨損現(xiàn)象。 圖8顯示了一個泵軸的微動損壞，以及在葉輪安裝區(qū)域，一個松散的配合使葉輪在操作運行中產生振動。由于微動所需的運動可以是一個小幅度的運動，在泵的大振動可能不存在。這使得在任何運行過程中的微動檢測是不可能的。在這個例子中，葉輪沿著孔會有類似的損壞。 用一些相對簡單的指導可以避免微動損壞。你應該消除或阻止兩個組件之間的運動的可能性，通過更小的間隙，或收縮裝配，從而增加了夾緊力。如果在一個特定的設計中，不可避免的話，可以使用緩解方法。這些措施包括各種涂層或提供適當?shù)臐櫥瑒┑慕佑|區(qū)域?？梢允褂玫耐繉影ɑ鹧鎳娡扛哝嚭辖?、鍍銀，或可能在一個或兩個接觸的面中加入一個薄、密集的鍍鉻。 磨料磨損 磨料磨損通常分兩個主要的類型：二體磨損與三體磨損。這個名字顯示了磨損的機理。對于大多數(shù)部分，三體磨料磨損是離心泵損壞的主要機理。這可以發(fā)生在堅硬的固體顆粒在流體進入口環(huán)配合面或葉輪鍵槽之間的區(qū)域。在高濃度固體的液體中，產生了另一種三體的磨損形式。在流體流中攜帶的固體會撞擊到內部泵表面。這通常稱為侵蝕。這種類型的損傷在葉輪和殼體的分水處觀察到。材料的損傷程度，由于這種機制，取決于材料的體積硬度，碳含量，和固體的特性。重要的顆粒特性包括大小，形狀，硬度和質量。 圖8 經歷小幅度的運動的葉輪下方一處的微動損傷。該斑駁的外觀是典型的微動所造成的損害（2.2）。 殼體口環(huán) 葉輪口環(huán) A 殼體口環(huán) 葉輪口環(huán) B 殼體口環(huán) 葉輪口環(huán) C 圖9 固體顆粒尺寸和表面間隙之間的三種可能情況。條件“一”有利于最嚴重三體磨料磨損。 要盡量減少三體磨料磨損，必須考慮幾個變量。口環(huán)間隙可以影響損傷。在流體流中的顆粒大小和它們可以進入的間隙之間的關系是很重要的。這在圖9中圖示出來了，這說明三種類型的粒子之間的間隙關系。條件A是邏輯上最具破壞性的三體磨料情形。由于這些粒子被截留在兩者之間，會造成很高的損傷率。在情形B中，與口環(huán)間隙相比較大的顆粒將不會進入和產生破壞。這種情況使粒子隨液流通過葉輪流出泵。在情形C下，非常精細或相對較小的顆粒不會在口環(huán)之間被截留和研墨，不會導致組件的間接損壞。 在大多數(shù)情況下，在一個流體工況中的粒子將有一系列的大小，所以所有情形將存在。通常情況下，一個顆粒大小和分布分析，以表征將導致條件A存在的顆粒的量。通過提取流體樣品中的固體并進行篩分析實現(xiàn)這是相對簡單的。在流體中存在的固體的百分比是非常重要的，用于確定適當?shù)牟牧虾驮O計注意事項。這將在以后給合適的材料選擇作指導。 磨粒硬度也非常重要。如果顆粒質軟易碎，如滑石粉，由于三體磨料磨損，預計將對金屬泵部件發(fā)生微小損傷。如果粒子是非常堅硬的，預計損失的量將是更大的。這些顆粒包括焊皮或二氧化硅（二氧化硅），這是沙子。顆粒的幾何形狀也有助于損害的量，它可以導致三體磨料磨損。通常，二氧化硅的顆粒在一個圓形的環(huán)境中能被發(fā)現(xiàn)。用于處理河流的水或海水的泵經常遇到這些結構。硬的圓形的顆粒比同等硬度的鋒利的有棱角的顆粒破壞力小。飛塵，一個非常堅硬、銳利、棱角分明的顆粒，是泵行業(yè)中遇到的最具研磨性的工況之一。 一種材料的抗磨料磨損的性能可以通過一個標準的ASTM標準測試程序來凸顯。每個測試程序都試圖模擬機制,大多符合磨粒磨損類別. 在一般情況下，能夠抵抗兩體磨料磨損的材料也耐三體磨料磨損。 測試結果表明，負責增加抗磨料磨損的主要屬性是金屬合金的硬度。Zum Gahr提供了測試結果以說明這一事實.合金族群顯微結構的不同,合金化處理,以及表面狀態(tài)的差異也能影響材料的抗磨損性能.這些結論包括以下幾條: ?耐磨性隨材料硬度增加而增加。 ?在相同的體積硬度下，含碳量較高的鋼具有高的耐磨性。 ?冷加工，從而提高材料的表面硬度，并不能顯著提高合金的耐磨性。 ?沉淀硬化增加合金體材料的硬度和耐磨性能。 ?灰鑄鐵的耐磨性在高硬度下呈降低狀態(tài)。 ?柔軟，奧氏體白口鑄鐵具有超過馬氏體的的優(yōu)良的耐磨性。 ?硬質合金對鋼和鉻合金白口鑄鐵的耐磨性很重要。 ?碳化物體積分數(shù)為30%最大限度地提高軟基體材料的耐磨性。 三體磨料磨損的一個例子如圖10所示。它顯示了激光淬火軸套在礦山服務將近一年后的情形.在那里磨料磨損引起其他材料組合明顯的磨損 . 磨料磨損是由這個金礦應用中礦渣造成的。為了增加在這種狀況下的壽命,使用一個硬化耐磨環(huán)是一個好的開始. 這就是泵生產商在預料到有明顯磨損的地方使用有涂層口環(huán)的原因. 然而，這取決于服務環(huán)境的嚴格程度,一個含有碳化物的口環(huán)材料的選擇可能是必須的. 輕度研磨服務情形，應考慮下列材料： ?耐蝕高鎳鑄鐵-它的耐蝕性是由基體中碳化鉻造成的. ?有選擇性的硬化AISI 420表面(激光表面硬化混凝土50—55) ,表面硬化不易受氫脆或SCC的影響. ?滲碳淬火12%的鉻不銹鋼。 對于更多的磨損工況,以下通常需要考慮: ?淬火AISI 440C（50-55 RC） ?鎢鉻鈷合金或鉻化硼系化合物涂層（硬面）奧氏體不銹鋼 ?實心鎢鉻鈷合金 ?碳化鎢 ?碳化硅 ?部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ） 最近研究進展涉及使用陶瓷、金屬基復合材料、激光表面合金化、激光表面修飾底物通常不能在研磨工況下生存是當前材料發(fā)展的例子。 圖10 激光硬化軸套在磨損工況下的三體磨損.注意硬表面的細小同心刻痕.螺旋形圖案是激光工藝產生的激光束重疊區(qū). 腐蝕 大多數(shù)由泵處理的液體被認為是干凈的液體，這意味著它們沒有大量固體顆粒物的存在。這些液體的腐蝕性決定了所需的泵材料。這些工況的指導方針體現(xiàn)在“泵中腐蝕，”一個在第九屆國際泵用戶研討會上發(fā)表的指南。 然而，許多流體處理應用要求泵抽送得介質比干凈的液體差很多的。固體顆?？梢员话嘿F地過濾系統(tǒng)除去,它需要一直完美的運行.制造的管道系統(tǒng)可能從焊渣和管道燃燒中引入懸浮的固體顆粒. 自然產生的懸浮物在那些水的來源被發(fā)現(xiàn)，如河水或海水，如前面提到的磨料磨損部分。 在采購過程中材料和泵的選擇階段應考慮以下因素： ?粒子的硬度 ?顆粒量 ?粒度分布 ?自然（幾何） ?該泵的速度 ?流體沖擊角度 列出的頭四相涉及懸浮的固體。這些變量可以從應用程序到應用程序的不同而不同。顆粒的硬度是重要的,對于理解確定材料的選擇以獲得一個可接受的泵的壽命來說.硬度可以從相對柔軟的物質，如紙漿和造紙應用中的纖維素纖維，到非常堅硬的磨料顆粒,如采礦泵中的硅或巖石。Mille數(shù)量指標，如ASTM G75所描述的，是用來表征硬顆粒的耐磨性。 米勒數(shù)用于測定的相對耐磨性和固體顆粒組成的漿料研磨。在一個封閉的循環(huán)試驗中, 由于顆粒的壓裂和舍入（或脆碎度）當他們在泵或套管壁上互相磨損和/或妨礙, 顆粒的磨損性隨時間變得越低. 米勒數(shù)因此在報告中有兩個參數(shù)。第一個數(shù)字表征顆粒的磨損性，二是在研磨液試驗期間顆粒的研磨損耗（磨損）。在實際用途中,米勒數(shù)的研磨部分是有用的,因為這更接近的展示了研磨液的破壞力.磨損的數(shù)量已經發(fā)現(xiàn)比表征在研磨液中一個測試回路影響的參數(shù)小的作用. 米勒數(shù)小于50的研磨液將不在循環(huán)泵中考慮磨料。米勒數(shù)低于50的泥漿例子有石灰石、硫磺漿料的例子，和洗滌劑.已經確定擁有微小顆粒的泥漿比有大顆粒泥漿的磨損低.實驗數(shù)據(jù)表明,金剛砂在200目時的磨損能力是其他材料在400目時的4倍. 泥漿泵中粒子的速度在損傷程度上起著重要的作用。在這種情況下，勢能轉化為動能，材料損失發(fā)生由于粒子的能量轉移到組件上。對單個粒子尺度材料的傷害量取決于具體的粒子速度，V，和質量，m（動能，定義為MV2）。對硬質材料的范尼方程證明了這一點： 磨損率=(#沖撞顆粒) 當然,泵吸收從粒子上傳來的動能的部分也發(fā)揮了作用. 在吸收顆粒的動能中材料的硬度和/或泵組件的彈性也會決定材料損失的量. 陳和胡已經對材料進行了實驗室測試，同時改變以前描述的粒子變量。他們的測試結果顯示如下： ?增加顆粒硬度也增加物質損失高達1700公斤/平方毫米的顯微硬度（大于75 RC）。超過這種硬度，磨損發(fā)生減少。這是最有可能是吸收動能的硬、脆的顆粒壓裂的結果。 ?尖銳的、角粒子增加了超過圓形顆粒的侵蝕速率。 ?隨著磨損顆粒濃度的增加腐蝕增大。 ?液流（有顆粒）流速的增加加大了腐蝕速率 ?最小的腐蝕發(fā)生在沖擊角為0度時（與目標表面相切），在65度角時磨損量增加到最大。 文獻回顧顯示，幾位作者繪制了固體顆粒撞擊角與侵蝕量的關系。這些圖繪顯示，對于韌性材料，腐蝕隨沖擊角的增加而增加，在25度角時材料損失達到最大。然后，腐蝕損傷將減小到先前提到的65度沖擊角。脆性材料，如玻璃，是完全不同的。由于沖擊角度從0度角增大到90度，材料損耗的體積不斷增大。 由于固體顆粒撞擊造成的沖蝕損傷的特征通常是可識別的。然而，一個有侵蝕性的流體，固體顆粒撞擊的影響可能不容易確定。這些影響可能會出現(xiàn)非常類似的腐蝕侵蝕，這是在不存在固體包含的地方，一個流體速度控制的損害機制。如果這種損害被誤診，一個不恰當?shù)牟牧咸娲赡軣o法解決真正的問題。相反，更可能的情況是，觀察沖蝕腐蝕損傷可能誤認為是固體顆粒腐蝕。泵的充分理解包括流體速度、流體腐蝕性，容量，和固體顆粒的性質以采取相應行動來提高一個損壞的泵的壽命是必須的。 在一個泵的固體顆粒侵蝕的一個例子展示在圖11和12中。一個殼體嚴重腐蝕破壞的是由流體中固體顆粒表面直接撞擊或沖刷的偏斜的表面溝槽引發(fā)的。該泵處理礦漿，對于碳鋼殼體和CD4MCu葉輪來說氧化鋁的百分含量和速率(Al2O3)太高。 圖13顯示了在煤粉工況下的一個CF3M葉輪。這表明，葉輪的最大損害是在外周，它對應于漿料的最高速度。損壞的最小量在葉輪入口附近。圖13也顯示了葉輪入口孔的低速區(qū)域由最小損壞。這證實了實驗數(shù)據(jù)，顯示出隨著泥漿速率的增加，腐蝕也增加了。注意在接近入口孔外側處損傷增加，在低流速的葉輪輪轂處幾乎是不存在的。 圖11 在17%的鋁土和沙子的工況下，一個碳鋼殼體的嚴重腐蝕。注意由于漿液的局部動蕩產生的刨削。 圖12 不銹鋼CD4MCU葉輪在鋁土礦服務中，一個雙出口葉片尖端的侵蝕。 圖 13 一個顯示嚴重侵蝕的磨料粉煤灰中的奧氏體不銹鋼葉輪。在接近葉輪外圓處，腐蝕隨流速的增加而增大。 圖 14 在煤礦泥漿工況中，美國鋼鐵協(xié)會類型，440C不銹鋼球閥的腐蝕損傷。 在循環(huán)泵中也會遇到沖蝕損壞。圖14展示了在煤礦泥漿工況中，美國鋼鐵協(xié)會類型，440C不銹鋼球閥的腐蝕大面積損傷，在它變得卡住不動而不能轉動之后。這在一個集中的區(qū)域上造成泥漿沖擊。 粒子速度和沖擊角度是一個設計因素，可以用來減輕泵的侵蝕。在煤炭液化項目由能源部在上世紀70年代研究面臨的挑戰(zhàn)是處理煤礦和石油泥漿高速泵的開發(fā)。這是嘗試，因為泥漿泵通常是很大、緩慢的機器，增加在那個時代實驗工廠的資本和運行成本。大部分的泥漿泵行業(yè)使用大的，低轉速，單級泵，解決了固體顆粒侵蝕問題。這些泵很多都是橡膠襯，來吸收粒子的沖擊能量。 沖蝕損壞，一旦確定，只有限的幾種解決方案來延長泵的材料壽命。這可以通過選擇硬的、耐磨可更換襯墊，彈性襯墊，或者如果襯墊不能使用，采用硬質材料來實現(xiàn)。這樣的金屬材料包括鑄鐵（如鎳硬），高鉻（13到百分之28）的合金鋼，鈷基超合金（如鎳基合金、鎢鉻鈷合金）和鎳基合金。 疲勞 離心泵和循環(huán)泵都受到循環(huán)載荷，如果不考慮在設計過程中，由于材料疲勞，將引起壽命的限制。與腐蝕環(huán)境結合，由于通常被稱為環(huán)境輔助疲勞引起的材料疲勞將會被加速。 構件疲勞的一個重要參數(shù)是一個交變或循環(huán)載荷的存在。在一般情況下，泵是一種機器，無論是流體或機械引起的循環(huán)荷載作用于他們的組件。雖然離心泵遇到脈動或脈動應力時，大部分是穩(wěn)態(tài)旋轉的設備。這些循環(huán)應力的來源可以從葉輪出口和葉片擴壓器葉片之間或，在蝸殼泵中，葉輪葉片與殼體分水處之間形成流體的相互作用。機械引起的力是由于彎矩作用于泵軸或可能是轉子組件中的一個組成部分的不平衡。循環(huán)泵在機械的作用下，經歷了內部和外部元件的循環(huán)加載。事實上，這些泵可以被認為是大的疲勞試驗機，由于泵運行過程的脈動作用。 當循環(huán)力被施加到泵中材料一段時間后，裂紋可能在組件的表面開始產生。啟動后，裂紋將隨持續(xù)循環(huán)加載而發(fā)展，直到該部分最后。即使加載產生的應力遠遠小于材料的抗拉強度，也可能發(fā)生破裂。工程師們已經意識到這一潛在的組件式斷裂模式很多年了，并制定了設計標準來考慮這種異常?；谘h(huán)應力歷史和缺陷尺寸的循環(huán)加載和材料特性研究超出了本文的研究范圍。但是，它應該注意的是，斷裂力學領域提供了一個工程設計工具，可以預測設計組件的壽命。 疲勞是一個三階段的過程組成的，（1）裂紋的萌生，有時伴隨缺陷的存在，（2）裂縫傳播和（3）裂紋擴展，最終斷裂，與裂紋不穩(wěn)定有關，如沃勒建議的。所施加的應力水平，樣品的幾何形狀，缺陷尺寸，和機械性能，決定了這些階段的存在和程度。 疲勞是由August Wohler在1852年第一個研究。沃勒的工作包括交替施加的應力，S，和周期數(shù)，n，施加于試樣直至斷裂發(fā)生。這項工作是現(xiàn)在設計工程師使用的S/N曲線的基礎。實驗室生成的S/N曲線如圖15所示。這條曲線是由光滑的，旋轉的光束試樣制作出。這些要小心加工以避免在他們表面上產生冶金缺口，它會降低外加應力而在測試時產生故障。 當引入腐蝕介質時，產生了許多裂紋萌生部位。較低的曲線顯示了耐力強度的下降。由于腐蝕隨著時間的推移會越來越多地損壞材料，耐久性極限隨著曝光時間會相應減少。腐蝕環(huán)境中的材料不存在真正的疲勞極限。為此，輔助材料的腐蝕疲勞壽命通常以警示性聲明來公布。有足夠的時間，腐蝕可以完全穿透疲勞試驗的試樣，導致產生零負載和零周期的數(shù)據(jù)點。由于這個原因，腐蝕影響疲勞試驗結果通常來定義腐蝕介質，測試溫度，樣品預暴露的腐蝕性介質的細節(jié)，和相對于所施加的循環(huán)載荷的測試頻率。 圖 15 一種實驗室生成的光滑桿旋轉梁試樣的S/N試驗曲線 表2 合金在海水中的腐蝕疲勞強度 合金 UTS CFS Ti-6Al-4V 154 88 鎳基合金718 189 60 鎳基合金625 149 50 哈氏合金 108 32 蒙乃爾合金K-500 176 26 鎳鋁青銅（鑄造） 115 15 304不銹鋼 79 15 316不銹鋼 85 14 304L不銹鋼 75 14 316L不銹鋼 79 13 17-4PH 鑄件 10 70-30 銅-鎳（鑄件） 83 9 鎳錳青銅 82 9 錳青銅 73 8 D-2抗蝕高鎳鑄鐵 7.5 低碳鋼 2 試驗參數(shù)：環(huán)境溫度，1750轉每分鐘，2 - 3英尺/秒（0.6 - 0.9米/秒）。腐蝕疲勞強度（CFS）在100000000轉時給出。所有的值都在KSI中；1 ksi = 6.894759 MPa。UTS是空氣中材料的極限抗拉強度）。 公布的數(shù)據(jù)不一，因為實驗室施加應力使用的低頻率增加了對測試樣本腐蝕的影響。這是在比較之中，在一個高頻率下進行這些測試的實驗室中，最大限度地減少了腐蝕介質的影響。表2顯示了各種合金的極限抗拉強度和腐蝕疲勞強度的公布值。 沃勒的調查表明，機械缺口可以降低材料的疲勞。這個在圖16中一個平滑的條形試樣產生的S/N曲線的移位展現(xiàn)出來。缺口的嚴重性決定了從光滑的曲線上發(fā)散的數(shù)量。如圖所示，一定數(shù)量的周期后，表面降解機制降低了產生試樣故障的應力需要。這反過來又反映了材料的耐久極限的降低。 圖16 曲線下光滑試件所產生的S/N曲線中的移位。缺口的嚴重性決定了從光滑的曲線上發(fā)散的數(shù)量。 圖17 一種單一來源的斷口光滑疲勞試驗樣品的掃描電鏡照片。箭頭表示疲勞裂紋源。 圖 18 泵軸的多軸疲勞斷裂。箭頭顯示許多疲勞裂紋起源的位置。A和B對應于每一個斷裂面的最后的斷裂帶。 可以在斷裂面觀察到的疲勞裂紋的三個階段，使他們很容易識別。這是特別真實的，如果再外觀沒有其他二次傷害口。特別是在長期的破裂，線在破裂表面上是可見的。這些損傷有時被稱為翻蓋的斑紋，裂紋，或海灘的標志并且反映裂紋生長的不同時期。棘輪線，這代表在不同的平面上的兩個不同的裂紋面接合成一個, 在多個起源疲勞裂紋中被觀察到. 多發(fā)性疲勞破裂與旋轉部件有聯(lián)系。 圖17顯示了斷裂后一個光滑的條形疲勞式樣的一個高放大的視圖. 箭頭顯示該樣本的單一來源。此疲勞裂紋擴展到整個試樣的直徑，直到最終發(fā)生斷裂，顯示為一個小圓圈。最終的斷裂有時被稱為韌性超負荷區(qū)或快速斷裂帶。 如圖18所示，是泵軸上的疲勞斷裂的一個例子。圖中的箭頭指示許多裂紋起源的位置。該斷裂面平坦、光滑的表面形貌是大多數(shù)疲勞斷口的特征。這平坦的斷裂的外觀有時是錯誤的，因為沒有證據(jù)表明塑性變形或附近的斷裂的脆性斷裂。顯示幾乎是直接在斷裂軸部分的中心是一個小面積的延性過載，標記為A和B，這對應于最終的破裂面積。該區(qū)域的相對較小的尺寸表示在低交變載荷下的裂紋傳播。換句話說，將軸兩半夾持的材料是最后破裂的區(qū)域. 這是該軸的總截面積的一小部分。在軸的外徑的多個箭頭顯示了許多裂紋起源。疲勞棘輪痕跡在每個位置都有. 這種類型的疲勞斷裂稱為多成因，高周疲勞。如前所述，研究者使用的相對大小的每個疲勞裂紋階段，以確定的負載作用于組件的大小。 如前所述,研究者使用每個疲勞破裂階段的相對大小以確定組件負載的大小. 裂紋起源地辨別也在發(fā)生的失敗分析中是首要關注的問題。裂紋的起源是很重要的，以確定是否從材料中的缺陷或在制造過程中產生的缺口開始產生疲勞裂紋。 腐蝕，往往是造成泵體損壞的主要原因，會增加產生疲勞裂紋的可能性。腐蝕輔助疲勞是這種特殊類型的裂紋的名稱。腐蝕損傷可以改變表面紋理，并顯著增加作用于泵組件上的局部應力。如果腐蝕損壞嚴重，足以產生一個高循環(huán)載荷的區(qū)域的一個尖銳的缺口，然后組件的疲勞裂紋是不可避免的。在某些情況下，傳播階段也受到氧化，它可以掩蓋疲勞機制的明顯特征。腐蝕的氧化物，沿裂縫面形成，可以產生楔入作用，機械增加了該處裂紋尖端上的拉伸力作用。這增加了裂紋擴展速率。